Hur man implementerar antennmatriserna SWaP-C Satcom med hjälp av ytmonterade effektdelare och riktningskopplare

Utrymmet runt jorden fylls snabbt och tusentals nya satelliter kommer att skjutas upp under det kommande decenniet. Detta sätter press på konstruktörer av satellitkommunikation på två sätt. För det första är den tillgängliga bandbredden för satelliter i de traditionella L-, C- och X-banden snabbt uttömd. För det andra vill kommersiella satellittillverkare att deras produkter ska vara lättare och billigare att skjuta upp.

Satcom-utvecklarna löser bristen på RF-bandbredd genom att flytta kommunikationen från de traditionella satellitbanden till RF-band med högre frekvens, t.ex. Ku (12-18 GHz). Ku-bandet ger möjlighet till större genomströmning och är betydligt mindre överbelastat. När det gäller kravet på minimal storlek, vikt, effekt och kostnad ("SWaP-C") svarar konstruktörerna genom att bygga viktiga delar av satelliten, såsom t.ex. antennmatrisen, med hjälp av avancerade ytmonterade enheter (SMD).

Artikeln beskriver fördelarna med ytmonterade effektdelare och riktningskopplare, viktiga passiva element som används i satcom-antennmatriser för Ku-bandet. Artikeln presenterar exempel på enheter från Knowles Dielectric Labs, beskriver hur dessa komponenter uppfyller dagens krav på låg SWaP, och hur konstruktörer kan använda viktiga prestandaegenskaper hos dessa viktiga komponenter för att optimera antennmatrisens prestanda.

Framsteg inom antennmatriser

Den senaste utvecklingen inom antenner för satelliter och markstationer har inneburit att man har övergått från enstaka antenner till antennmatriser. Antennmatriser kombinerar två eller flera element, som var och en i huvudsak fungerar som en miniantenn. Fördelarna med antennmatriser jämfört med en konventionell antenn för satellitkommunikationstillämpningar är bland annat:

• Högre förstärkning
• Ökat signal-brusförhållande (SNR).
• Styrbara sändningsstrålar och ökad känslighet för inkommande signaler från en viss riktning.
• Bättre diversitetsmottagning (hjälper till att överbrygga signalförsvagning).
• Mindre sidolober i antennens strålningsmönster.

Den konventionella matrisstrukturen består av en konfiguration av 3D-block bestående av elektroniska enheter som placeras sida vid sida och är anslutna med hjälp av flera kontakter och kablar. Detta ökar antennmatrisens storlek och komplexitet jämfört med paraboler med en enkelantenn.

Lösningen på denna volym och komplexitet har kommit från ett fokus på låg SWaP-C som eliminerar den blockliknande strukturen som uppstår vid krets till kabel- eller hybridtillverkningsteknik. Nyare konstruktioner består av flera mikrostrip 2D-planarelement baserade på ett kretskortssubstrat med ytmonterad kapsling. Denna plana konfiguration gör att man inte behöver många kontakter och kablar, vilket förbättrar SWaP samtidigt som tillförlitligheten ökar och tillverkningen förenklas (figur 1).

Figur 1: Användningen av ytmonterade komponenter med låg SWaP-C (till höger) gör det möjligt att minska mängden antennmatriser för satellitkommunikation jämfört med en konventionell montering med 3D-block (till vänster). (Bildkälla: Knowles DLI)

Ytmonterade komponenter minskar inte bara antennmatrisens storlek avsevärt, utan gör det även möjligt att använda en enda automatiserad monteringslinje, vilket dramatiskt minskar produktionskostnaden jämfört med en konventionell krets till kabel- eller hybridmetod. Ytmontering bidrar även till att korta tiden till marknaden.

Sådana framsteg har möjliggjorts tack vare en ny generation av ytmonterade komponenter som kan fungera tillförlitligt i rymden vid höga driftfrekvenser. Enheterna har innovativa dielektriska material, snäva toleranser, tunnfilmstillverkning och nya topologier för mikrostriplinjer för att ge hög prestanda kontra format.

Viktiga komponenter i antennmatrisen: effektdelare

Effektdelaren är en kritisk passiv ytmonterad komponent i antennmatrisen. Enskilda effektdelare delar upp den inkommande signalen i två eller flera signaler som fördelas över de antennelement som ingår i matrisen. I sin enklaste form delar effektdelaren upp ingångseffekten (minus vissa kretsförluster) jämnt över varje utgångsben, men andra former av effektdelare gör det möjligt att dela upp ingångseffekten proportionellt över utgångsbenen.

Det finns flera olika konfigurationer av effektdelare, men för högfrekvenstillämpningar har effektdelare vanligen formen av en Wilkinson-konstruktion med mikrostriplinje (figur 2). I grundformen mäter varje ben i delaren en fjärdedel av våglängden för den inkommande RF-signalen. Till exempel, för en inkommande signal med en centerfrekvens på 15 GHz skulle varje ben vara 5 mm långt. Benen fungerar som impedanstransformatorer med en kvarts våglängd.

Ett isolerande motstånd används för att matcha utgångsportarna; eftersom det är nollpotential mellan utgångsportarna flyter ingen ström genom motståndet, så det bidrar inte till resistiva förluster. Motståndet ger även en utmärkt isolering, även när enheten används i omvänd riktning (som en effektkombinator), vilket begränsar överhörning mellan enskilda kanaler.

Figur 2: Den grundläggande Wilkinson-effektdelaren använder två impedanstransformatorer med en kvarts våglängd och ett isolerande motstånd för att matcha utgångsportarna. Portarna 2 och 3 levererar hälften vardera av ingångseffekten på port 1. (Bildkälla: Knowles DLI)

För att begränsa förlusterna när effekten delas upp måste effektdelarens två utgångsportar ha en impedans på 2 Zo vardera. (De två parallella Zo:n ger en total impedans på Zo.)

För en jämn effektfördelning med R = 2 Z_o, används:

Där:

R = värdet på det termineringsmotstånd som är anslutet mellan de två portarna.

Z_o = den karakteristiska impedansen för hela systemet.

Z_match = impedansen hos kvartsvågstransformatorerna i effektdelarens ben.

En spridningsmatris (S-matris) innehåller de spridningsparametrar som används för att beskriva den elektriska prestandan hos ett linjärt RF-nätverk, som t.ex. en Wilkinson-effektdelare. Figur 3 visar S-matrisen för den enkla form av effektdelare som visas i figur 2.

Figur 3: Spridningsmatris (s-matris) för den Wilkinson-effektdelare som visas i figur 2. (Bildkälla: Steven Keeping)

De viktigaste egenskaperna hos S-matrisen är följande:

• S_ij = S_ji (vilket visar att Wilkinson-effektdelaren även kan användas som en kombinator).
• Kontakterna är matchade (S₁₁, S₂₂, S₃₃ = 0)
• Utgångarnas kontakter är isolerade (S₂₃, S₃₂ = 0)
• Effekten är jämnt fördelad (S₂₁ = S₃₁)

Förlusterna minimeras när signalerna vid portarna 2 och 3 är i fas och har samma magnitud. En perfekt Wilkinson-effektdelare ger S₂₁ = S₃₁ = 20 log₁₀(1/√2) = (-)3 decibel (dB) (dvs. halva ingångseffekten vid varje utgångsport).

Wilkinson-effektdelare med mikrostriplinje är en bra lösning för tillämpningar med antennmatriser för låg SWaP-C. Kommersiella alternativ för Ku-bandet inkluderar PDW06401 en 16 GHz tvåvägs Wilkinson-effektdelare från Knowles Dielectric Labs. Knowles kunskaper om dielektrisk tillverkning och tunnfilmstillverkning har gjort det möjligt att tillverka en ytmonterad komponent med låg förluster som ändå är kompakt för användning i antennmatriser för Ku-bandet vid satellitkommunikation.

PDW06401 har måtten 3 x 3 x 0,4 mm och använder material med låg förlust som minimerar variationen i prestanda i ett brett temperaturområde. Kapslingens karakteristiska impedans (Z₀) motsvarar de 50 ohm (Ω) som krävs för att minimera förhållandet mellan stående spänningsvågor (VWSR) och därmed returförlusterna i högfrekventa RF-system. Enheten har noll nominell fasförskjutning, en amplitudbalans på ±0,25 dB och en fasbalans på ± 5°. Den överdrivna insättningsförlusten är 0,5 dB. Figur 4 illustrerar frekvenssvaret hos effektdelaren PDW06401.

Figur 4: Frekvenssvar hos effektdelaren PDW06401. RL representerar kontaktmatchning (S₁₁, S_22, etc.), Iso är isoleringen mellan utgångsportarna (S₂₃, S₃₂) och IL är uteffekten (S₂₁, S₃₁). (Bildkälla: Knowles DLI)

Returförlust, isolering, amplitudbalans och fasbalans hos en effektdelare är avgörande för antennmatrisens prestanda på följande sätt:

• Produktens returförlust bör vara låg, eftersom större förluster direkt påverkar den maximala överförda eller mottagna strålenergin.
• Produktens isolering bör vara hög eftersom detta påverkar isoleringen mellan signalvägarna i antennmatrisen och ökar dess förstärkning.
• Anordningens amplitudbalans bör närma sig 0 dB eftersom den påverkar antennens amplitudprestanda och effektiva isotropa strålningseffekt (EIRP).
• Enhetens fasbalans bör närma sig 0° skillnad eftersom detta främjar maximal effektöverföring och säkerställer avsedd faslängd för alla delar i nätverket. En stor fasobalans försämrar EIRP och ändrar potentiellt strålningsmönstret hos en strålformande antennmatris.

Viktiga komponenter i antennmatrisen: riktningskopplare

Riktningskopplaren är en annan komponent som spelar en viktig roll i antennmatriser genom att konsekvent mäta sändnings- och mottagningseffekten för matrisens element. Riktningskopplaren är en passiv anordning som kopplar ihop en känd mängd sändnings- eller mottagningseffekt till en annan port, varifrån den kan mätas. Kopplingen uppnås vanligtvis genom att två ledare placeras nära varandra så att den energi som passerar genom den ena ledningen kopplas till den andra.

Enheten har fyra portar: ingång, överförd, kopplad och isolerad. Huvudledningen för överföring är placerad mellan portarna 1 och 2. Den isolerade porten avslutas med en internt eller externt matchad belastning (vanligtvis 50 Ω), medan den kopplade porten (3) används för att tappa av den kopplade energin. Den kopplade porten levererar vanligtvis en bråkdel av huvudledningens energi och har ofta en mindre kontakt för att skilja den från huvudledningens portar 1 och 2. Den kopplade porten kan användas för att få information om signalens effektnivå och frekvens utan att avbryta det huvudsakliga energiflödet i systemet. Den effekt som kommer in i den överförda porten flödar till den isolerade porten och påverkar inte utgången hos den kopplade porten (figur 5).

Figur 5: Den kopplade porten (P3) i en effektdelare överför en bråkdel av den effekt som levereras till ingångsporten (P1), medan resten passerar genom den överförda porten (P2). Den isolerade porten (P4) termineras med en internt eller externt matchad belastning. (Bildkälla: Spinningspark på Wikipedia)

Den viktigaste egenskapen hos en kopplare är kopplingsfaktorn.

Denna definieras på följande sätt:

Den enklaste formen av kopplare har en rätvinklig topologi där de kopplade linjerna löper bredvid varandra i en fjärdedel av ingångssignalens våglängd (t.ex. 5 mm för en signal på 15 GHz). Denna typ av kopplare producerar vanligtvis hälften av ingångseffekten vid port 3 (dvs. den har en kopplingsfaktor på 3 dB), och effekten vid den överförda porten minskas också med 3 dB. (figur 6).

Figur 6: Den enklaste formen av riktningskopplare har kopplingslinjer som löper bredvid varandra i en fjärdedels våglängd av insignalens frekvens. (Bildkälla: Spinningspark på Wikipedia)

Precis som i fallet med effektdelaren finns det några viktiga egenskaper hos den riktade kopplaren som påverkar antennmatrisens prestanda. Dessa egenskaper omfattar följande:

• Huvudledningens förlust bör minimeras för att öka antennmatrisens förstärkning. Förlusten beror på resistiv uppvärmning av huvudledningen och är separat från kopplingsförlusten. Den totala förlusten i huvudledningen är kombinationen av den resistiva värmeförlusten plus kopplingsförlusten.
• Kopplingsförlusten är minskningen av effekten på grund av den energi som överförs till de kopplade och isolerade portarna. Om man utgår från en rimlig riktverkan bör den effekt som oavsiktligt överförs till den isolerade porten vara försumbar jämfört med den effekt som avsiktligt överförs till den kopplade porten.
• Returförlusten bör minimeras. Detta är ett mått på hur stor del av signalen som returneras eller reflekteras av riktningskopplaren.
• Införingsförlusten bör också minimeras. Detta är förhållandet mellan en signalnivå i en testkonfiguration utan riktningskopplaren, jämfört med när komponenten är närvarande.
• Isoleringen bör maximeras. Detta är skillnaden i effektnivå mellan ingångsporten och den isolerade porten.
• Riktningsgraden bör maximeras. Detta är skillnaden i effektnivå mellan port 3 och port 4 i den riktningskopplaren och är relaterad till isolering. Det är ett mått på de kopplade och isolerade portarnas oberoende.

Även om riktningskopplare för RF kan implementeras med hjälp av en mängd olika tekniker är det ledningar av typen mikrostrip som är populära i satellittillämpningar med låga SWaP-C-värden på grund av sin ringa storlek. Ett exempel är riktningskopplaren FPC06078 från Knowles. Enheten är en ytmonterad mikrostrip-enhet med måtten 2,5 x 2,0 x 0,4 mm. Den har ett arbetstemperaturområde från -55 °C till +125 °C och en karakteristisk impedans på 50 Ω.

Kopplingsfaktorn är frekvensberoende, men en riktningskopplare av hög kvalitet har ett relativt jämnt frekvensomfång för kopplingen. I figur 7 nedan kan man se att Knowles-enheten har en nominell kopplingsfaktor på 20 dB, som endast varierar med 2 dB inom ett driftsområde på 12-18 GHz. Riktningskopplaren FPC06078 har en införingsförlust på 0,3 dB och en lägsta returförlust på 15 dB. Anordningens riktningsgrad är 14 dB (figur 8).

Figur 7: Här visas frekvenssvaret för riktningskopplaren FPC06078. Enheten har en nominell kopplingsfaktor på -20 dB och en låg införingsförlust på 0,3 dB. (Bildkälla: Knowles DLI)

Figur 8: Här visas ett diagram för rikningsgraden hos riktningskopplaren FPC06078. För att uppnå högre prestanda för antennmatrisen bör riktningsgraden, som är relaterad till isoleringen, maximeras. (Bildkälla: Knowles DLI)

Sammanfattning

Konstruktörer svarar på efterfrågan på låg SWaP-C i satellittillämpningar genom att använda kompakta passiva ytmonterade komponenter. Exempel på detta är de effektdelare och riktningskopplare som används vid tillverkning av satellitens antennmatriser.

Genom att välja kompakta passiva ytmonterade enheter av god kvalitet - som lovar överlägsen prestanda genom konstruktionen av mikrostriplinjen, och keramiska material med hög dielektrisk förmåga - kan konstruktörerna dra nytta av högre frekvensband i satellittillämpningar. Den nya generationen av ytmonterade effektdelare och riktningskopplare gör det dessutom möjligt för konstruktörer att skapa mindre och lättare antennmatriser, samtidigt som de förbättrar antennernas förstärkning och strålformningskapacitet.